桃子采摘机器人的设计与开发

冯国亮　韦雄棉　容兴鹏　孙宝福

【摘 要】随着新农业生产模式和新技术的发展与应用，农业机器人逐步迈向农业生产主力军的行列。我国桃子采摘基本上都是靠人工劳动力，需要大量的人力，效率低，成本高。因此桃子采摘机器人具有非常巨大的发展潜力，具有很高的研究价值。针对桃子采摘的特点，设计了一种基于计算机视觉具有高精度、高效率的桃子采摘机器人。

【关键词】桃子；采摘；机器人

中图分类号： S225.93；TP391.41；TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0084-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.035

1 背景介绍

随着新农业生产模式和新技术的发展与应用，农业机器人逐步迈向农业生产主力军的行列。我国采摘机器人的研究也逐渐起步，有些已取得阶段性成果。目前，比较典型的采摘机器人有人机协作型柑橘采摘机器人，西红柿、黄瓜、草莓和多功能葡萄采摘机器人等。而桃子采摘一直采用人工采摘的方式，相关的采摘设备和辅助机械装置研究的相对较少，因此桃子采摘机器人有着很大的发展潜力。

研究的主要问题包括机器人的执行机构、驱动-传动机构、移动平台、控制系统和智能系统的设计和调控。

2 执行机构

桃子的形状一般呈卵形、宽的椭圆形和扁圆形，直径一般在5-7厘米之间[1]。当桃子成熟后，桃子会与桃树通过果柄相连，并且桃子会与桃树贴的很近，有时几个桃子也会生长在一起。目前的采摘方式是通过人工用手轻轻旋扭90度摘取。因此，在桃子采摘机器人的末端执行器就是模拟的人手的采摘过程，设计而来。

综上所诉，并根据桃子的生长特点，我们设计了从桃子外围接近的仿生手指抓住桃子、手腕旋转分离果柄的末端执行器，在爪子外圈包裹一层软的橡胶，防止损伤到桃子。

末端执行器的总体结构如图1所示。连接板2与爪座3连接在一起，以下属于手腕部分；丝杆5固定在轴承4上，通过连接件与电机1相连；丝杆螺母6与丝杆5相互啮合，与拉动盘7固连在一起；带橡胶的爪子8连接在爪座3上，可绕支点回转。其运作过程为：电机转动带动丝杆旋转，从而驱动丝杆螺母向下或移动，进而带动拉动盘上下移动，最后拉动盘拉动带橡胶的爪子闭合或者推动带橡胶的爪子张开。

3 系统整体设计方案

桃子种植方式为均匀的间隔种植，桃子主要生长在距地50～250cm 的高度，生长不均布。桃树的过道为一般土地或是草地，共同特点是：不平整、杂草多。因此我们设计一种基于SR-04测距的桃子采摘机器人。其模型如图2所示，系统大体上分为两部分：移动端、PC 端。其中：移动端主要由五大部分组成：FPV摄像头、移动平台、超声波测距、机械臂及末端执行器；PC端具有两大目的：其一是通过计算机视觉库对采集到的图像进行处理，其二则是通过串口对移动端的运行不断进行调整，基于串口的通讯模式，价格合理且经久耐用。通过USB2.0输送各种数据，以便实时对移动端进行人为控制。

系统的工作流程如下：当整个装置初始化完成后，FPV摄像机为视觉系统采集图像，并通过无线图像传输装置传回PC端进行分析处理，检测并识别机械手前方。若经过PC处理的图像中出现桃子，则计算出桃子所处的平面位置坐标，并将得到的平面坐标传递到机械手控制端，开始执行定位工作；直到果实的坐标位置在机械手图像的中心区域。通过不断地视觉判断，以及移动端的调整，直到目标桃子相对于机械手的坐标满足采摘条件。若视觉系统检测到有多个桃子满足采摘条件，则选取靠近做端点的目标桃子优先被采摘，再依次采摘剩下中的靠近左端点的桃子，采摘到的桃子放置于移动平台前端的篮子里。机器人工作期间，工作人员可以通过 PC端监控机器人的运行状态，随时介意对机器人的工作参数与工作状态进行更改。

4 机械臂和移动端的结构设计

4.1 履带驱动移动端的模型设计

根据桃子种植的过道可能为山坡或是较为崎岖的地形，移动端应该具备优良的越地形性能。移动端的适应地形运动能力，选择方案有两种：其一是使用履带式；其二是四轮直驱式。我们小组充分考虑到实际地形较为不平坦和野外工作条件较为复杂的特点，选择履带式进行设计。单边履带由单独电机驱动板L298N驱动步进电机，减速器的减速比为1：89。通过过单边履带运动模式控制移动平台构成机器人转弯。移动平台使用锂电池作为其能源，通过不同的电源处理器对各部位实施供电，如移动平台的Mega开发板模块需5 V 电源，而轮子的步进电机需12V直流电源，机器臂伺服电机则是5V。

4.2 四自由度机械臂的模型设计

为使得机械臂灵活伸缩以达到良好的运动性能，机器人采用四自由度柔性机械手设计。末端的采摘手实际为三脚手爪，采摘时铡刀剪断果柄并且夹住剪断的果柄，再将桃子运送至果篮。机械臂各个关节联结的总体长度达到25 cm，亚力克板距离地面高度约为15 cm，机械臂的采摘半径约为20cm，采摘桃子的末端执行器坐标允许误差为2 cm，机械臂的关节使用型号为MG995的舵机。

5 图像处理

成熟的桃子的整体特征具有近似红色圆球，PC端的识别方法正借鉴此特征进行识别。图3所示为识别程序流程图，先由FPV摄像头采集图像进行处理再进行判断，若判断成功则输出平面坐标，若失败则返回至获取图像，重新采集图像。

6 控制系统设计

6.1 硬件设计

桃子采摘机器人为一机构简单的机械系统，图4所示，机器人控制系统主要由PC控制以及下位机组成。PC端为图5中的PC控制中心。PC 端是一台电脑，CPU为E5-2670，主 频 2.6G，内存16G。PC通过 USB串口与下位机的移动端控制器通信，图像通过FPV摄像头无线图像传输的方式与视频采集卡通信。机械臂控制器的功能主要是通过控制电机运行以控制机械臂按照规划的轨迹运动，并通过控制控制采摘手闭合与张开。移动平台控制器的功能主要是通过平台调整机器人位置。

6.2 软件设计

机器人的软件设计主要包括 PC 端控制、移动平台控制器程序设计、机械臂及末端执行器程序设计以及遥控器程序设计。PC端在VC ++环境下进行，而下位机则是使用Mega2560控制板。主要视觉计算在PC端完成，下位机的任务主要为各个硬件驱动。整体的程序流程：PC开机初始化各个设备， 机械臂复位，通过FPV摄像头获取桃子图像，并对图像进行预处理。若检测到视频流中存在成熟桃子，则获取桃子平面坐标，否则机器人左转继续捕获桃子图像，从第三步循环执行，如果检索完图像中所有的部分，且未发现桃子，那么机器人原地打转，跳至第三步开始执行。

6.3 模型的测试

由于没有成熟的桃子与末端执行器的行程过短等原因，所以暂时使用成熟的苹果代替和兵乓球代替，经过测试捡起一个兵乓球的时间为20s。如图所示：

7 结论

（1）机械采摘手采用“内刚外柔”模式，即在金属采摘手外面整合硅胶等柔软、摩擦系数大的物体。這样既能牢牢地抓住水果，又能防止碰坏水果。机械仿生手指，通过模拟人工采摘方式来采摘桃子。

（2）运用智能摄像机、超声波、实时跟踪与定位系统，随时准确定位移动的水果（采摘过程中可能会摇动枝条而导致水果移动），在有风的天气下也能采摘水果。

（3）每当采摘完一轮将要运动到下一个地点采摘前，用风扇吹动叶子，若发现还有水果，则摘取，这样就可以减少漏摘的水果。

【参考文献】

[1]董芒，顾宝兴，姬长英，张庆怡，查启明.水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验[J].华南农业大学学报，2016，37（04）：128-133.

[2]苏媛，杨磊，宋欣，李冰.智能移动苹果采摘机器人的设计及试验[J].农机化研究，2016，38（01）：159-162.

[3]伍锡如，黄国明，刘金霞，徐波.新型苹果采摘机器人的设计与试验[J].科学技术与工程，2016，16（09）：71-79.

[4]李宇飞，高朝辉，申麟.基于视觉的机械臂空间目标抓取策略研究[J].中国科学：技术科学，2015，45（01）：31-35.